CN215262065U - 一种基于滤光器的光谱分析模组 - Google Patents

一种基于滤光器的光谱分析模组 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开一种基于滤光器的光谱分析模组，滤光器阵列中的各个滤光器单元设有衬底，衬底上面有多层介质薄膜结构和金属图案层，多层介质薄膜结构设有至少2层介质薄膜层，其中至少有一层相较其它层具有更高的折射率；金属图案层是呈一维或二维周期性排布的块状金属薄膜结构单元构成的阵列结构，多层介质薄膜结构中与金属图案层最相邻的介质薄膜层在多层介质薄膜结构中具有较低的折射率；采用上述方案后本实用新型制备工艺简单、滤光器具有带宽很窄的透射通带,有利于提高光谱分析模组的光谱分辨率,探测器单位像素尺寸可远小于对应滤光器阵列中的滤光器单元的尺寸。

Description

一种基于滤光器的光谱分析模组
技术领域
本实用新型涉及一种光谱分析模组，尤其是涉及基于一种具有窄通带特性的滤光器阵列结构的微型光谱分析模组。
背景技术
光谱仪是一种非常重要的光学仪器。光谱仪工作原理的核心在于其分光技术。典型的分光技术有如光栅分光型、干涉滤光型、迈克尔逊干涉与傅里叶变换型、声光过滤调制型、阿达玛变换型等等。现行常见的是光栅分光型。实验室级别的光谱仪一般都体积较大、价格昂贵，其整体性能往往伴随着仪器尺寸的缩小而减弱。
近年来，随着信息技术的发展、生产生活智能化、和人们对食品安全、环境污染、医疗健康等需求的增长，微型集成光谱分析模组受到关注。其应用目标向作为智能化设备和消费类电子产品(如智能手机、可穿戴设备等)的传感组件的运用来发展。
基于滤光器阵列结构来实现微型集成光谱分析模组是一个重要途径。举例如下：
如滤光器阵列结构是基于具有分立的不同腔长的垂直型Fabry-Perot谐振腔阵列结构【如以下文献所涉及：1.S.-W.Wang,C.Xia,X.Chen,W.Lu,M.Li,H.Wang,W.Zheng,andT.Zhang, Opt.Lett.,32(6),632(2007)；2.温志渝，陈刚，王建国，光谱学与光谱分析，26(10),1955 (2006)。】，或者是基于腔长连续线性变化的Fabry-Perot谐振腔的线性可变滤光器(Linear Variable Filter,LVF)结构【如以下文献所涉及：1.A.Emadi,H.Wu,G.deGraaf,and R. Wolffenbuttel,Opt.Express,20(1),489(2011)；2.中国实用新型专利CN110873605 A】；
或如，滤光器阵列结构是基于介质材料的光子晶体结构【如以下文献所涉及：N.K.Pervez, W.Cheng,Z.Jia,M.P.Cox,H.M.Edrees,and I.Kymissis,Opt.Express,18(8),8277(2010).】；
再如，滤光器阵列结构是基于具有不同吸收谱的半导体量子点或量子线阵列结构【如以下文献所涉及：1.J.Bao and M.G.Bawendi,Nature,523,67(2015)；2.Z.Yang,T.Albrow-Owen, H.Cui,et al.,Science,365,1017(2019).】；等等。
尤其还有一类，是基于金属微纳结构的滤光器阵列结构的微型光谱仪，其背景技术与本实用新型有可比性，举例如下：
如美国实用新型专利US 8542359 B2中，所涉及滤光器是位于透明介质衬底上的周期性金属微纳结构。这种结构的透射光谱表现为具有很大带宽的透射峰和透射谷。这种结构制备工艺难度大、精度要求高，其滤光特性不利于提高光谱分辨率。
如中国实用新型专利CN 105092035B和CN 109642822A中，所涉及滤光器是位于透明介质上的纳米天线或金属纳米结构。这种结构的透射光谱表现为具有很大带宽的透射谷，即是具有阻带特性的滤光器。其滤光特性不利于提高光谱分辨率。
如美国实用新型专利US 7426040 B2和中国实用新型专利CN 108731806 A、CN110873911A、CN 110243471 A(其中部分实施例)中，所涉及滤光器是以具有波长选择特性的金属微纳结构层为具有两个反射镜的Fabry-Perot类谐振腔的其中一个反射镜或两个反射镜；当为其中一个反射镜时，另一个反射镜可为如金属薄膜或分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector,DBR)。这种滤光器结构复杂，加工难度大；其滤光特性往往表现为同时有几个透光峰，且其自由光谱范围较小，即使光谱仪工作波段较窄。
如中国实用新型专利CN 10954311 A和CN 110243471 A(其中部分实施例)中，所涉及滤光器是将金属微纳结构层置于具有两个反射镜的Fabry-Perot的谐振腔内；在滤光器阵列的不同单元内，用具有不同结构参数的金属微纳结构去调制Fabry-Perot谐振腔的透光峰位置。这种滤光器结构复杂、加工难度大；透光峰具有较大带宽，不利于提高光谱分辨率；且其自由光谱范围较小。
再如中国实用新型专利CN109564323 A中，所涉及滤光器具有位于介质层之间的周期性金属微纳结构；其中与金属微纳结构层最相邻的上面一层介质层或上下两层介质层是具有高折射率的波导层。这种滤光器结构的透射峰具有较大的带宽，不利于提高光谱分辨率。
对用于微型集成光谱分析模组的滤光器的要求，最好是具有窄通带特性，即其透射光谱表现为具有一个带宽较窄的主透射峰、附近波段没有其它明显的副透射峰、且主透射峰的位置可在较大的光谱范围内随滤光器结构参数的调节而变化。此外，滤光器结构也应尽可能简单，易于制备，尤其是适合于用量产化的微纳加工方法来制备。
实用新型内容
本实用新型提供一种滤光器结构简单，易于制备，滤光器具有带宽很窄的透射通带的光谱分析模组。
为达成上述目的，一种基于滤光器的光谱分析模组，包括信号光采集与光束整形部分、滤光器阵列、以及探测器阵列，其中，滤光器阵列中的各个滤光器单元设有衬底、多层介质薄膜结构和金属图案层，金属图案层中具有较薄的块状金属薄膜结构单元呈周期性排布；多层介质薄膜结构中具有最高折射率的介质薄膜层与金属图案层之间有折射率更低的介质薄膜层，滤光器阵列中的各个滤光器单元具有窄通带滤光特性，且各个不同的滤光器单元具有不同的结构参数和透射光谱，与金属图案层最相邻的介质薄膜层在多层介质薄膜结构中具有较低的折射率。
金属图案层位于衬底和多层介质薄膜结构的上面。
金属图案层上面设有介质薄膜覆盖层。
多层介质薄膜结构位于衬底和金属图案层的上面。
信号光采集与光束整形部分包括：扩散片、单孔光阑、单个透镜或透镜组和宽带通滤光片。
信号光采集与光束整形部分包括：扩散片、多孔光阑阵列、微透镜阵列和宽带通滤光片。
所述的光谱分析模组由不同的工作波段范围在近紫外-中红外(对应真空波长为0.2～20 μm)范围内的某一波段范围的单波段光谱分析模组并列组合成的一个具有更宽工作波段范围的组合式光谱分析模组。
采用上述方案后，本实用新型光谱分析模组的滤光器具有窄通带特性，即其透射光谱表现为具有一个带宽较窄的主透射峰、附近波段没有其它明显的副透射峰、且主透射峰的位置可在较大的光谱范围内随滤光器结构参数的调节而变化。此外，滤光器结构也相对简单，易于制备，尤其是适合于用量产化的微纳加工方法来制备。
附图说明
图1是基于本实用新型实施例的光谱分析模组的应用系统的示范例框图。
图2A是根据本实用新型实施例的光谱分析模组的构成示意框图。
图2B是根据本实用新型实施例的光谱分析模组的构成的侧视结构示意图。
图3A是根据本实用新型实施例的光谱分析模组的横截面结构示意图，其中的信号光采集和光束整形部分基于单个透镜和单孔光阑。
图3B是根据本实用新型实施例的光谱分析模组的横截面结构示意图，其中的信号光采集和光束整形部分基于微透镜阵列和多孔光阑阵列。
图4A是根据本实用新型实施例的光谱分析模组中滤光器阵列中的滤光器单元为一维周期结构的侧视结构示意图。
图4B是根据本实用新型实施例的光谱分析模组中滤光器阵列中的滤光器单元为二维周期结构的侧视结构示意图。
图5A、图5B、图5C、图5D、图5E、图5F、图5G和图5H是图4B是根据本实用新型实施例的光谱分析模组中的滤光器阵列中，滤光器单元中的金属图案为具有不同特征的二维周期结构的示范例的平面示意图。图中深色区域表示金属。
图6A、图6B、图6C、图6D、图6E和图6F是根据本实用新型实施例的光谱分析模组中的滤光器阵列中，在垂直于衬底平面的纵向方向上具有不同的层状结构的示范例的横截面结构示意图。
图7是根据本实用新型实施例的光谱分析模组中的滤光器阵列中具有不同变量参数的滤光器单元的平面分布示意图。
图8是根据本实用新型实施例的光谱分析模组中，对探测器阵列中探测器单位像素及探测器单元进行规划的平面示意图。图中小网格表示探测器阵列中的单位像素，大网格表示经规划而划分的由若干探测器单位像素构成的探测器单元。
具体实施方式
为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
以下实施例为示范性实施例，它们可以具有不同的形式或变型，而不应被解释为仅限于这里所给出的描述。在对本实用新型实施例部件的描述中，如“……上”的表述可以包括“以非接触方式在……上”和“以接触方式直接在……上”；如“……下”的表述可以包括“以非接触方式在……下”和“以接触方式直接在……下”；如“包括……”的表述意指“包括但不限于仅有……”。
图1是基于本实用新型实施例的光谱分析模组的应用系统的示范例框图。本实用新型的光谱分析模组113可与光源112和控制与信号处理模块111一起被集成于便携式光谱检测设备110。在使用中，通过便携式移动设备110中光源112发射出的光照射在待测目标物140 上，从待测目标物140上反射或散射出的信号光被光谱分析模组113采集后获得其原始光谱数据。控制与信号处理模块111接收来自光谱分析模组113的原始光谱数据、并进行预处理，然后通过有线网络、无线网络或蓝牙等通讯方式将经预处理的原始光谱数据发送到智能终端设备120(如为电脑、智能手机等)。智能终端设备120可以基于先前保存的来自光谱检测设备110的预置校准数据，采用一定的信息处理算法进行光谱重构，获得对待测目标物140 进行检测的真实光谱及相关信息，并在其终端进行输出显示。用户可通过智能终端设备120 的终端输入对光谱检测设备110中各部分的工作状态进行控制。在某些情况下，可以将光谱检测设备110作为一个系统功能模块集成于智能终端设备120中使用。在某些情况下，如果智能终端设备120中的数据存储和信息处理能力不足，可以通过网络借助于远程云端服务器 130进行数据分析和信息处理，并将处理后的数据结果反馈到智能终端设备120中进行下一步的处理和结果的输出显示。
图2A是根据本实用新型实施例的光谱分析模组的构成示意框图。光谱分析模组113包括信号光采集与光束整形部分210、滤光器阵列220、以及探测器阵列230。
图2B是根据本实用新型实施例的光谱分析模组的构成的侧视结构示意图。图中示出滤光器阵列220由M×N个滤光器单元构成。探测器阵列230中探测器单位像素(小网格)的尺寸可比滤光器阵列220中滤光器单元的尺寸小得多。对于其中探测器阵列230中探测器单位像素的规划及其与滤光器阵列220中各个滤光器单元的对应关系，后面结合图8进行细述。图2B中信号光采集和光束整形部分210的具体结构没有示出，下面结合图3A和图3B对它们进行具体说明。
图3A和图3B是根据本实用新型实施例的基于信号光采集和光束整形部分210具有不同实施方式的光谱分析模组的横截面结构示意图。
图3A所示实施例中的光谱分析模组310的信号光采集和光束整形部分211包括：扩散片311、单孔光阑312、透镜313、和宽带通滤光片314。
图3B所示实施例中的光谱分析模组320的信号光采集和光束整形部分212包括：扩散片321、多孔光阑阵列322、微透镜阵列323、以及宽带通滤光片324。
在图3A和图3B的实施例中，信号光采集和光束整形部分211和212的作用是为均匀地采集到来自待测目标物140的信号光、并通过光束整形使之变成平行准直光垂直照射到滤光器阵列220的各个滤光器单元上。其中，扩散片311和321的作用是为提高对信号光采集的均匀性和稳定性；单孔光阑312和多孔光阑阵列322中光阑孔的位置分别处于与它们对应的透镜313和微透镜阵列323中的各个单元透镜的焦点处，为信号光通过后者后形成平行准直光提供位于其焦点处的点光源，并进行空间滤波；透镜313和微透镜阵列323的作用是为入射到滤光器阵列220中的各个滤光器单元提供平行准直光；宽带通滤光片314和324的作用是对信号光进行过滤，只允许所述光谱分析模组的工作波段范围的光透过。
相较于图3A所示的实施例，图3B所示的实施例有利于将信号光采集和光束整形部分 210制作的更加紧凑、且提高光谱分析模组的光通量。但通过多孔光阑阵列322中不同单元光阑的信号光的差异，会对光谱检测性能带来一些微弱的影响。
图4A和图4B是根据本实用新型实施例的光谱分析模组中滤光器阵列220中的滤光器单元400分别为一维和二维周期结构的示范例的侧视结构示意图。描述所述滤光器单元的结构特征的一些示范例将在图5A至图5H和图6A至图6F中做进一步说明。
图4A所示的示范例中具有一维周期结构特征的滤光器单元401和图4B所示的示范例中具有二维周期结构特征的滤光器单元402都包括有：衬底410、所述的多层介质薄膜结构中的高折射率介质薄膜层420和低折射率介质薄膜层430、以及金属图案层440。它们的不同之处在于：滤光器单元401中的金属图案层440是具有一维周期结构特征的金属图案441，滤光器单元402中的金属图案层440是具有二维周期结构特征的金属图案442。
图5A至图5H是图4B中的滤光器单元中的金属图案为具有不同特征的二维周期结构的示范例的平面结构示意图。
概括来说，二维周期结构金属图案442中每个周期单元晶胞内的块状金属薄膜结构单元在所述二维结构平面内的形状可为如下类型：如图5A所示的正方形、如图5B所示的长方形、如图5C所示的圆形、如图5D所示的菱形、如图5E所示的十字形、等等。
二维周期结构金属图案442中各个周期单元晶胞内的块状金属薄膜结构单元在所述二维结构平面内的排列方式可为如下对称结构类型：如图5A、图5C、图5D和图5G所示的在两个正交的二维方向上具有相同周期参数的正方形阵列结构；如图5B所示的在两个正交的二维方向上具有不同周期参数的长方形阵列结构；以及如图5E和图5F所示的三角形阵列结构、六角形阵列结构或斜方阵列结构；等等。
如以图5G所示为例，二维周期结构金属图案442中各个周期单元晶胞内的块状金属薄膜结构单元之间可以通过较窄的金属条结构相互连接。
如以图5H所示为例，二维周期结构金属图案442中各个周期单元可以为超级晶胞，在此超级晶胞内可有不同形态的多个块状金属薄膜结构单元。
图5A至图5H中所示的二维周期结构金属图案442的不同结构特征可以以各种方式交叉组合，形成在此没有列出的、具有其它形态的二维周期结构金属图案。
图6A至图6F是根据实用新型实施例的光谱分析模组中滤光器阵列220中的滤光器单元400在垂直于衬底平面的纵向方向上具有不同的层状结构的横截面结构示意图。
图6A至图6F中作为示范例的滤光器单元400a至400f中的金属图案层440的金属图案可为图4A、图4B和图5A至图5H的示范例中描述中的各种金属图案。
图6A、图6B和图6C中作为示范例的滤光器单元400a、400b和400c中，衬底410上设有高折射率介质薄膜层420、低折射率介质薄膜层430和金属图案层440。在图6B和图6C 的滤光器单元400b和400c中，金属图案层440上还可设有基于介质薄膜材料的覆盖层450。如图6B中所示，受下方金属图案结构影响，滤光器单元400b中的覆盖层451具有不平整的上表面；如图6C中所示，滤光器单元400c中覆盖层452具有平整的上表面。覆盖层451和 452的上表面所具有的不同形态也与它们的制备工艺和厚度相关。覆盖层451和452的作用一方面可以用来保护金属图案层440中的金属薄膜，另一方面也可以用其厚度来调节其所在滤光器单元的透射光谱特性。
图6A、图6B和图6C中示范例滤光器单元400a、400b和400c中的高折射率介质薄膜层420和低折射率介质薄膜层430构成前面所述的多层介质薄膜结构。所述多层介质薄膜结构不仅限于只有2层，也可以设有更多层。但此处所述高折射率介质薄膜层420是多层介质薄膜结构中具有最高折射率的一层，且高折射率介质薄膜层420不与金属图案层440直接接触；在高折射率介质薄膜层420与金属图案层440之间至少有一层是属于多层介质薄膜结构中的低折射率介质薄膜层。
图6D、图6E和图6F中作为示范例的滤光器单元400d、400e和400f中，在金属图案层440上方设有构成多层介质薄膜结构的低折射率介质薄膜层460、高折射率介质薄膜层470、和另一低折射率介质薄膜层480。其中，如果滤光器单元周围媒质为空气或其它低折射率媒质，低折射率介质薄膜层480也可不存在。另外，此处的多层介质薄膜结构也可包括更多层，但此处所述高折射率介质薄膜层470是其所在多层介质薄膜结构中具有最高折射率的一层，且高折射率介质薄膜层470不与金属图案层440直接接触；在高折射率介质薄膜层470与金属图案层440之间至少有一层是多层介质薄膜结构中的低折射率介质薄膜层。
图6D、图6E和图6F中作为示范例的滤光器单元400d、400e和400f中，在金属图案层440下方设有衬底410。如图6E中所示，在衬底410和金属图案层440之间还可有一个缓冲层490；或如图6F中所示，在衬底410和金属图案层440之间存在另一个由高折射率介质薄膜层420和低折射率介质薄膜层430等介质薄膜层构成的多层介质薄膜层结构。
图6A至图6F所示的各个示范例中，多层介质薄膜层结构存在的作用是在其中构建平面介质光波导模式，该光波导模式的特征是其光场主要分布于高折射率介质薄膜层420和470 中；且该光波导模式和金属图案层440中的表面等离激元波导模式通过它们之间的低折射率介质薄膜层中的隐失波相互耦合而形成低损耗混合模等离激元光波导模式，并在周期结构的调制下展现出高品质谐振效应，从而在滤光器单元的透射谱中产生一个窄通带透射峰。
一般说来，图6A至图6F所示的示范例中的高折射率介质薄膜层420和470应该是滤光器单元400a至400f中所涉及介质材料和周围媒质中具有最高折射率的介质；同时，除所述高折射率介质薄膜层420和470之外的其它介质材料的折射率可以相同、也可为不同。但是，如有其它类似结构形态，只要能够实现如前面所述的光波导模式和表面等离激元波导模式的耦合而形成低损耗混合膜等离激元波导模式，且其谐振效应能够使滤光器单元的透射光谱具有窄通带特性，也可采用，相关结构也是本实用新型所涉及、而不逐一列举的情况。
对于图6A至图6F所述示范例中的滤光器单元400a至400f，其中所涉及的金属材料和介质材料的选择范围，在实用新型内容中已有说明。在此具体举例来说，可设金属图案层440 中金属为金、银、铝或铜等，衬底410为石英或光学玻璃等(折射率约为1.45～1.5)，高折射率介质420和470为氮化硅或硫化锌等(折射率约为1.9～2.3)，低折射率介质430、460和480、覆盖层451和452、以及缓冲层490为二氧化硅或氟化镁等(折射率约为1.4～1.55)。如非必要，可选用更少种类的介质材料、更少层数的多层介质薄膜结构，以降低在制备过程中对设备和工艺的要求，并降低成本。
对于所述示范例中的滤光器单元400a至400f，其透射光谱中窄通带中心波长的位置依赖于其中各部分所选择材料的折射率和有关结构参数。有关特性参数、材料参数和结构参数的选择，一般可参考基于数值计算模拟的结果来设计和优化，并进一步通过实验来确认和调整。
下面以图6A中的滤光器单元400a为例，给出一个大概的参数选择范围和规律供参考。在此假设图6A中的滤光器单元400a中的金属图案层440为如图4A中所示的一维周期结构图案441或为如图4B中所示的二维周期结构图案442。并参见图6A所示，以p表示周期性金属图案441或442的周期参数，以w表示每个周期内的块状金属薄膜结构单元的宽度，以 tm表示金属图案441或442的厚度，以nL和tL分别表示低折射率介质薄膜层430的折射率和厚度，以nH和tH分别表示高折射率介质薄膜层420的折射率和厚度，以ns表示衬底410的折射率，以n0表示周围媒质的折射率。如假设n0＝1，ns≈nL,且透射通带中心位置的真空波长λc在近紫外-可见-近红外区(对应的真空波长范围约为200～2500nm)，则tH可优选在 (0.25～1)×(λc/nH)范围，tL可优选在(0.1～0.5)×(λc/nL)的范围，tm可优选在10～100nm之间，p可优选在(λc/nH)～(λc/nL)之间，w可优选在(0.75～0.95)×p之间。
图7是根据本实用新型实施例的光谱分析模组中的滤光器阵列220中具有不同变量参数的各个滤光器单元的阵列分布平面示意图。一般来说，对于确定了滤光器单元结构的同一滤光器阵列220，在其不同的滤光器单元400内对应相同的各个部分应选择相同的材料，且在制造过程中基于统一的工艺步骤进行材料制备和结构加工。在滤光器阵列220的各个单元内，一般可只改变滤光器单元400各个部分的结构参数；这些结构参数如为：在金属图案层440 所在平面内的横向方向上金属图案结构的周期、块状金属薄膜结构单元的宽度，以及在垂直于衬底410表面的纵向方向上各个介质薄膜层和金属图案层的厚度。
图7所示的示意图中，滤光器阵列220中的各个滤光器单元400按M×N阵列形式分布；其中可有M＝N或者M≠N；其中有些阵列单元内也可为空白而没有相应的滤光器单元存在，即滤光器单元的总数目小于M×N的值。在此，如图7所示，设将滤光器阵列中的各个滤光器单元按序标为F1、F2、F3、…、Fi、…、FM×N，相应的滤光器单元的各项结构参数被标为(pi,wi,tmi,tLi,tHi,…)，i＝1、2、3、…、M×N。对于前面所述示范例中不同的滤光器单元结构，在此所涉及的各项结构参数可不同。滤光器阵列220中各个滤光器单元400之间不同的结构参数可为一项或多项。
根据本实用新型实施例的光谱分析模组中的滤光器阵列220中各个滤光器单元的区域形状不限于为正方形或长方形，也可为其它形状；各个滤光器单元的排列方式也可不为如图8 中所示的行列正交的阵列方式，而为其它阵列形式的规则排列方式，或为其它形式的不规则的排列方式。
图8是根据本实用新型实施例的光谱分析模组中的探测器阵列230中探测器单元的规划分布示意图。根据本实用新型实施例的要求，透过滤光器阵列220中的每个滤光器单元400 的光都需要由探测器阵列230中唯一特定的探测器单元231来接收。也就是说，滤光器阵列 220中的各个滤光器单元400和探测器阵列230中的各个探测器单元231具有一一对应的关系；所以，滤光器阵列220中滤光器单元400的排列方式和探测器阵列230中的探测器单元 231的排列方式也应该是相同的。
但是，一般来说，如果不是用专门订制的探测器阵列，而是用通用的探测器阵列(如CMOS 或CCD图像传感器等)，则探测器阵列230中的探测器单位像素2310的尺寸可能往往远小于本实用新型中所述滤光器阵列220中的滤光器单元400的尺寸。举例来说，滤光器单元400 尺寸可约在100μm×100μm或更大的尺度范围，而探测器阵列230中的探测器单位像素2310 的尺寸可能约在10μm×10μm或更小的尺度范围。于是，需要对探测器阵列230中的探测器单位像素2310的排列、分布和归属进行规划。如图8中所示，设探测器阵列230中的各个探测器单位像素2310被分别划入以D1、D2、D3、…、Di、…、DM×N表示的所属探测器单元231；即此处每个探测器单元231可包括多个探测器单位像素2310。经规划后的各个探测器单元 D1、D2、D3、…、Di、…、DM×N的区域大小和排列分布分别对应于滤光器阵列212中的滤光器单元F1、F2、F3、…、Fi、…、FM×N，而且在垂直于衬底表面的纵向方向上分别相互对准。当然，如果探测器阵列230中的探测器单位像素2310的尺寸较大，而且与滤光器阵列220中各个滤光器单元400的排列形式和周期参数等相同且能够对应，则与各个滤光器单元400相对应的每个探测器单位像素2310可视为一个探测器单元231。
对于根据本实用新型实施例的光谱分析模组中的探测器阵列230，一般根据所设计光谱分析模组的工作波段范围来选择。参考现行常用的探测器阵列来举例说明：如工作波段范围在波长为400～1100nm的可见-近红外区，可选择如基于Si等半导体材料的CMOS或CCD 图像传感器或探测器阵列；在波长为200～400nm的近紫外区，可选择如基于SiC或其它宽禁带半导体材料的探测器阵列，有时增强型Si基图像传感器也可适用于此近紫外区；在波长为600～2500nm的近红外区，可选择如基于InGaAs等半导体材料的图像传感器或探测器阵列；在2～20μm的中红外区，可选择如基于HgCdTe、InSb、PbSe和PbS等半导体材料的光敏型中红外探测器阵列或各种基于热电效应的中红外探测器阵列等。具体实施中，对于探测器阵列230的选择不限于上面所列举的各种类型。
本实用新型实施例所述的光谱分析模组包括：信号光采集与光束整形部分；滤光器阵列；以及探测器阵列。在测试中，来自目标物的信号光依次通过信号光采集与光束整形部分、滤光器阵列、再射入探测器阵列。
所述的信号光采集与光束整形部分、滤光器阵列和探测器阵列之间可以是以某种支撑结构相互分立地组合在一起的，也可以是以某些透明介质作为中间媒质接触式地堆叠在一起的。所述的光谱分析模组可以是一个单独的组件，或者是集成于其它光电器件或系统组件中的一部分。
所述的信号光采集与光束整形部分的一种实施方式包括：扩散片、单孔光阑、单个透镜或透镜组、和宽带通滤光片等其它有益的光学元部件。
所述的信号光采集与光束整形部分的另二种实施方式包括：扩散片、多孔光阑阵列、微透镜阵列、和宽带通滤光片等其它有益的光学元部件。
如上所述的信号光采集与光束整形部分，在一定条件的使用情况下，可以不包括其中的扩散片或宽带通滤光片。
如上所述的信号光采集与光束整形部分的实施方式中所包括的各个单元之间可以是以某种支撑结构相互分立地组合在一起的，也可以是以某些透明介质作为中间媒质接触式地堆叠在一起的。
所述的滤光器阵列由多个滤光器单元按一定的方式排列构成。滤光器阵列中的各个滤光器单元设有共同的衬底，该衬底可为厚度为几十微米至几毫米的透明介质，或为位于所述探测器阵列之上的厚度为几十纳米至几百微米的透明介质。
所述的滤光器阵列中的滤光器单元设有如上所述的衬底、多层介质薄膜结构和金属图案层；在某些实施例中还可包括有覆盖层和缓冲层。
所述滤光器单元中的金属图案层是呈一维或二维周期性排布的块状金属薄膜结构单元构成的阵列结构，且具有较薄的厚度。如对近紫外-可见-近红外区光波，金属图案层的优化厚度可小于100nm。
多层介质薄膜结构设有至少2层介质薄膜层，其中相邻介质薄膜层的折射率不同。
多层介质薄膜结构可位于衬底和金属图案层之间；或金属图案层位于衬底和多层介质薄膜结构之间。其中，在多层介质薄膜结构中，与金属图案层相邻的介质薄膜层在整个多层介质薄膜结构中具有较低折射率。如金属图案层位于衬底和多层介质薄膜结构之间、且衬底折射率大于金属图案层的另一侧的介质薄膜层的折射率，则在金属图案层和衬底之间可设有缓冲层，该缓冲层为折射率较另一侧介质薄膜层折射率更低的介质薄膜。
如果在滤光器单元中的金属图案层裸露于空气或其它非固体介质时，金属图案层上可设有覆盖层，覆盖层为介质薄膜。
本实用新型中描述滤光器单元的结构和材料参数包括：金属图案层中的图案形态、排列规则、和其各部分的结构尺寸等；多层介质薄膜结构中的各个介质薄膜层的折射率和厚度；覆盖层的折射率和厚度；缓冲层的折射率和厚度；衬底材料的折射率和厚度；以及滤光器单元周围媒质(如空气等)的折射率；等等。在此，材料参数指材料的折射率。
所述滤光器单元的透射特性体现在其透射光谱上，一般表现为在一定的光谱范围内存在一个较窄的透射通带。对于滤光器单元，随其各部分结构和材料参数不同，其透射特性不同，所述透射通带的中心波长位置也不同。
对于所述的滤光器阵列，其中不同的滤光器单元中各项结构和材料参数中的某一项或多项设为不同。
所述的探测器阵列由许多探测器单位像素构成；这些探测器单位像素一般呈正方形或长方形，且一般按正方形晶格或长方形晶格的周期性规则方式排成阵列。当然，如果探测器单位像素的形状和排列方式为其它方式，则下面所述的相关设计可以以其原则做相应的调整。
如果探测器阵列中的探测器单位像素的尺寸较大，且滤光器阵列中滤光器单元的区域形状及排列方式和探测器阵列中的探测器单位像素的形状和排列方式相同，则将每个探测器单位像素视为一个探测器单元。其中，滤光器阵列中的各个滤光器单元需与探测器阵列中的各个探测器单位像素(或探测器单元)一一对应，且在垂直于探测器阵列表面的纵向方向上相互对准。
如在许多情况下，探测器阵列中的探测器单位像素的尺寸远小于滤光器阵列中滤光器单元的尺寸，则将探测器阵列中与滤光器阵列中各个滤光器单元在空间上对应并对准的多个单位像素视为一个探测器单元。由该探测器单元接收来自与其对应的滤光器单元的透射光；再在后端数据处理中，对所涉及单位像素的光电转换信号进行统筹处理。
所述光谱分析模组的工作波段范围可被设计为处于从近紫外光-可见光-及红外光-中远红外光(如对应波长在0.2～20μm)的波长范围内的某一段波长范围。所述光谱分析模组的工作波段范围在考虑其应用需求之外，主要决定于所采用探测器阵列的有效响应波段范围，同时需要对其中的滤光器阵列的结构和材料参数、以及其它部分的相关参数进行相应的调整和优化。具有不同工作波段范围的光谱分析模组可以并列组合成一个具有更宽工作波段范围的组合式光谱分析模组。
所述的光谱分析模组在实际应用中，需要首先对其进行预置校准，以获得不同波长的光波在被此光谱分析模组接受后在探测器阵列上的光学响应；然后再运用于对目标物的光谱检测中，获得在测试条件下来自目标物的信号光在光谱分析模组的探测器阵列上的光学响应；最后通过数据处理和反演计算，获得对来自目标物的信号光的光谱。
本实用新型实施例中，所述滤光器阵列中的金属图案层中的材料可为各种导电金属材料、合金、或其中多种金属构成的复合结构材料，或为其它具有等离激元特性的、具有较好导电性的半导体材料、以及它们与金属材料组成的合金或复合结构材料。
本实用新型实施例中，所述滤光器阵列中的衬底、多层介质薄膜结构、覆盖层和缓冲层中所涉及的介质材料在工作波长范围内是光学透明的，可以为有机材料(如各种聚合物等)、无机材料(如各种氧化物、氮化物、氟化物、硫化物、和各种半导体材料等)及其混合物、化合物、或由不同材料构成的等效结构材料等。
本实用新型的主要特征和优点说明如下：
所述光谱分析模组采用的滤光器结构具有厚度较薄的的金属图案层和若干层介质薄膜，制备工艺简单；尤其是其中厚度较薄的金属微纳结构适合于用可量产化的标准平面工艺来进行加工制备。
所述滤光器结构中，与金属图案层相接触的介质薄膜层在多层介质薄膜结构中具有较低折射率，即多层介质薄膜结构中具有高折射率的介质薄膜层与金属图案层之间至少有一层低折射率介质。这样的结构使得滤光器具有带宽很窄的透射通带。
所述的滤光器结构的透射光谱表现为在一定波段范围内存在一个较窄的透射通带(如在可见-近红外区半高宽小于30nm)。通过调节多层介质薄膜结构中各介质膜层的厚度，可以调节滤光器透射通带的带宽(甚至如半高宽小于5nm)；比如，与金属图案层相邻的低折射率薄膜层越薄，滤光器透射通带越窄。滤光器具有较窄的透射通带，有利于提高光谱分析模组的光谱分辨率。
本实用新型提供的基于光阑阵列和微透镜阵列对信号光进行采集与光束整形的方法，有利于使所述光谱分析模组更加紧凑，并提高其光通量。
本实用新型提供的对光谱分析模组中探测器阵列中的探测器单元的规划方法，使得所采用的探测器阵列中的探测器单位像素尺寸可远小于对应滤光器阵列中的滤光器单元的尺寸。目前市场上的探测器阵列的单位像素的尺寸一般都很小，且较小的探测器单位像素有利于降低探测器噪声、并获得更丰富的探测信息以便通过后端的数据处理来提高光谱分析性能。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效形状或结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于滤光器的光谱分析模组，包括信号光采集与光束整形部分、滤光器阵列、以及探测器阵列，其特征在于：滤光器阵列中的各个滤光器单元设有衬底、多层介质薄膜结构和金属图案层，金属图案层中具有较薄的块状金属薄膜结构单元呈周期性排布；多层介质薄膜结构中具有最高折射率的介质薄膜层与金属图案层之间有折射率更低的介质薄膜层，滤光器阵列中的各个滤光器单元具有窄通带滤光特性，且各个不同的滤光器单元具有不同的结构参数和透射光谱，与金属图案层最相邻的介质薄膜层在多层介质薄膜结构中具有较低的折射率。
2.如权利要求1所述的一种基于滤光器的光谱分析模组，其特征在于：金属图案层位于衬底和多层介质薄膜结构的上面。
3.如权利要求2所述的一种基于滤光器的光谱分析模组，其特征在于：金属图案层上面设有介质薄膜覆盖层。
4.如权利要求1所述的一种基于滤光器的光谱分析模组，其特征在于：多层介质薄膜结构位于衬底和金属图案层的上面。
5.如权利要求1所述的一种基于滤光器的光谱分析模组，其特征在于：信号光采集与光束整形部分包括：扩散片、单孔光阑、单个透镜或透镜组和宽带通滤光片。
6.如权利要求1所述的一种基于滤光器的光谱分析模组，其特征在于：信号光采集与光束整形部分包括：扩散片、多孔光阑阵列、微透镜阵列和宽带通滤光片。
7.如权利要求1所述的一种基于滤光器的光谱分析模组，其特征在于：所述的光谱分析模组由不同的工作波段范围在对应真空波长为0.2～20μm的近紫外-中红外范围内的某一波段范围的单波段光谱分析模组并列组合成的一个具有更宽工作波段范围的组合式光谱分析模组。
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